（微电子学与固体电子学专业论文）arm11高速电路设计与仿真.pdf

硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 摘要 现代电子设备正向小型化和多功能化方向发展，因而要求其印制电路板具有 高速、高集成度和高可靠性等特性。同时系统工作频率的提升和信号上升沿下 降沿时间的缩短，使得互连线的传输线效应越来越明显，从而导致信号在传输过 程中产生反射、串扰等问题，甚至产生电源完整性问题和电磁干扰问题。仅仅根 据一些经验规则进行p c b 设计很难保证不出现信号完整性问题，更无法保证电 源完整性和电磁兼容性。必须使用专业的仿真工具对p c b 进行仿真以得出符合 各方面要求的设计规范。高速p c b 设计的难点已从单纯的信号完整性问题，向 s i 、p i 和e m i 协同设计方向发展。 本论文设计了一套a r m ll 核心板，并分别从信号完整性、电源完整性和电 磁兼容性的角度对a r m ll 核心板进行了反射、串扰、平面谐振等分析，并根据 理论分析与实际经验给出相应问题的解决方法和措施。同时对p c b 板的层叠结 构和d d r 时序进行了详细的讨论。 在对a r m ll 核心板进行p c b 设计过程中，运用c a d e n c ea l l e g r o 和a n s o r s l w a v e d e s i g n e r 等仿真工具，对核心板中的关键网络和整板进行仿真分析，并 根据仿真分析的结果制定相关布局、布线规则，并在布线后对p c b 进行仿真验 证和设计优化。 关键词：高速电路设计、信号完整性、电源完整性、电磁兼容性、a r m 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s a b s t r a c t m o d e me l e c t r o n i ce q u i p m e n ti sm i n i a t u r i z a t i o na n dm u t if u n c t i o nc h a n g e d i r e c t i o n , t h e yh a v ec a l l e df o rt h ep r i n t e dc i r c u i tb o a r dw i t hs p e e d h i g hl e v e lo f i n t e g r a t i o na n dh i g hr e l i a b i l i t ya n do t h e rc h a r a c t e r i s t i e s a n dt h es y s t e mo ft h e w o r k i n gf r e q u e n c yo fa s c e n s i o na n ds i 刚a l o n g d o w nr i s i n ga l o n gt h et i m es h o r t e n , m a k e st h ei n t e r c o n n e c tt r a n s m i s s i o nl i n ee f f e c tm o r ea n dm o r eo b v i o u s ，l e a d i n gt o s i g n a ld u r i n gt r a n s m i s s i o nr e f l e c t e d , c r o s s t a l k , o re v e np r o d u c ep o w e ri n t e g r i t y p r o b l e m sa n de l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ep r o b l e m s o n l ya c c o r d i n gt os o m e e x p e r i e n c ep c bd e s i g ni tw a sd i f f i c u l tt oe n s u r et h a tt h er u l e sd o n 、a p p e a rs i g n a l i n t e g r i t yp r o b l e m s ，m o r e c a n te n s u r et h a tt h ep o w e rs u p p l yi n t e g r i t ya n d e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y s i m u l a t i o nt o o l sm u s tb eu s e df o rp c b t oc o m p l yw i t h t h er e q u i r e m e n t st h a tt h ed e s i g ns p e c i f i c a t i o n s t h ed i f f i c u l t i e so ft h ep c bd e s i g nh a s f r o mt h ep u r es i g n a li n t e g r i t yi s s u e s ，t ot h es i ，p ia n de m ic o l l a b o r a t i v ed e s i g n d e v e l o p m e n td i r e c t i o n t h ep a p e rd e s i g n e daa r m1 lc o r eb o a r d ，a n ds e p a r a t e l yf r o mt h e s i g r 锄 i n t e g r i t y ，p o w e rs u p p l y ，i n t e g r i t ya n dt h ea n g l eo fe l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t yo f a r ml lc o r eb o a r do fr e f l e c t i o n , c r o s s t a l k , p l a n er e s o n a n c e e t c ，a n db a s e do nt h e t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dp r a c t i c a le x p e r i e n c eg i v e sc o r r e s p o n d i n gm e t h o d sa n d m e a s u r e st or e s o l v et h ep r o b l e m a tt h es a m et i m e , t h el a y e rs t a c k i n go fp c bb o a r da n d d d rt i m i n ga r ed i s c u s s e di nd e t a i l a r m 1 1c o r eb o a r di nt h ed e s i g np r o c e s s t h eu s eo fc a d e n c ea l l e g r oa n da n s o f t s l w a v e d e s i g n e rt o o l ss u c ha sc o r eb o a r do ft h ek e yn e t w o r ka n dt h ew h o l eb o a r do f t h es i m u l a t i o na n a l y s i s ，a n da c c o r d i n gt ot h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o na n a l y s i sa n d m a k et h er e l e v a n tl a y o u ta n dw i r i n gr u l e s a n di nt h ew i r i n go fp c ba f t e rt h e v a l i d a t i o na n dd e s i g no p t i m i z a t i o n k e y w o r d s ：h i g h s p e e dc i r c u i t sd e s i g n 、s i 印a li n t e g r i t y 、p o w e ri n t e g r i t y 、 e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y 、a r m 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 第1 章绪论 1 1 高速电路设计发展概况 电子行业发展非常迅速，九十年代初只有3 0 左右的电子系统工作的频率在 5 0 m h z 以上，绝大多数数字电路往往只要连通就完成了设计。往往p c b 布局、 布线都是使用软件自动完成，基本上不考虑信号完整性问题。而2 0 0 0 年之后， 大量电子系统工作的频率在1 0 0 m h z 以上。人们开始关注信号完整性( s i ) 问题， 在实际工作经验中总结出一系列的布局、布线规则，对于关键模块只要满足这些 规则，基本上不会出现信号完整性问题。 现代电子设备正向小型化和多功能化的方向发展，因而要求其印制电路板具 有高速、高集成度和高可靠性等特性。同时系统工作频率的提升和信号上升沿， 下降沿时间的缩短，使得互连线的传输线效应越来越明显，从而导致信号在传输 过程中产生反射、串扰等问题，甚至产生电源完整性问题和电磁干扰问题。仅仅 根据一些经验规则进行p c b 设计很难保证不出现信号完整性问题，更无法保证 电源完整性和电磁兼容性。必须使用专业的仿真工具对p c b 进行仿真以得出符 合各方面要求的设计规范。高速p c b 设计的难点已从单纯的信号完整性问题， 向s i 、p i 和e m i 协同设计方向发展。 国内外e d a 厂商不断提升其软件分析能力和优化其高速设计流程，如： c a d e n c e 公司的a l l e g r o 系统互连设计平台可以完成对信号完整性( s i ) 、电源完 整性( p i ) 、电磁干扰( e m i ) 的仿真：a n s o f t 公司的s 1 w a v e 采用专业的全波有 限元引擎来计算高速p c b 单板的谐振、反弹、串扰，同步开关噪声、电源地弹、 平面谐振、直流电压电流分布，近场远场辐射。s 1 w a v e 可以提取完整的设计( 包 括多个、任意形状的电源地层，过孔，信号走线和电路元素) 。s 1 w a v e 可以提 取s ，y 和z 参数；i b i s 互联模型，显示三维电磁场，并生成全波s p i c e 模型， 在a n s o f td e s i g n e r 或者第三方与s p i c e 电路工具中进行后续的时域和频域分析。 1 2 信号完整性、电源完整性、电磁兼容性之间的联系 随着高速电路工作频率的不断提升，信号完整性问题已经不是我们面临的唯 一问题了，电源完整性问题和电磁兼容性问题也同样需要得到足够的重视。经验 上，当电路工作频率在5 0 0 m h z 以下时只要处理好信号完整性问题，系统一般能 够稳定工作。但是当电路工作频率高于5 0 0 m h z ，处理好信号完整性问题只是系 统稳定工作的一个必要条件，且如果电源完整性问题没有处理好，信号完整性问 题也很难解决。当系统工作频率达到g 级，我们还得关心电磁兼容性( e m c ) 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 问题。 电路的基本定律：( 1 ) 电流永远都是一个回路、( 2 ) 电流总是趋向于流向阻 抗低的路径。电流是一个回路意味着所有信号必须有返回路径，在高速电路设计 中更是如此。实际上，我们往往强调信号路径，而忽视返回路径。信号路径只占 电流回路的一半，返回路径与信号路径同等重要，它们共同构成了电流回路。因 此，必须像设计信号路径一样设计返回路径。不考虑返回路径，并不意味着没有 返回路径，它仍然存在，不被考虑的返回路径往往是s i 、p i 、e m i 问题的源头。 在实际的高速电路中，电流并不是简单的从源端开始沿着信号路径到达接收端， 然后从参考平面流回到源端。由于趋肤效应和挤邻效应的影响，导致电流重新分 布以获得最小回路阻抗( 感抗) 。在高速互连中具体表现为返回路径总是紧邻信号 路径分布。当这种紧邻分布的回路结构被破坏，就会导致传输线阻抗不连续，进 而导致s i 问题，甚至造成p i 和e m i 问题。 如图1 1 所示，电源分配网络( p d n ) 使得s i 、p i 、e m i 相互影响，相互制 约，合理的p d n 设计是我们成功解决s i 、p i 、e m i 问题的关键之一。 一、，、 图1 1s l 、p l 、e m l 紧密关联 1 2 1s i 问题导致p i 问题 多层电路板层与层之间的互联线主要靠过孔连接，这种非理想互联线会使该 互连线上的信号边沿畸变和退化。如果没有处理好过孔的返回路径，会导致信号 回路面积的增大和引入的阻抗突变同时有可能向电源地平面耦合噪声，从而导 致电源地平面发生谐振，加剧了电源电压波动。如果同一平面的s i 问题没有处 理好，更会加剧以上噪声耦合过程n 儿羽。 1 2 2p i 问题严重影响s i 电源完整性问题不仅是一个功率传输问题，它也严重影响系统的信号完整 性。电源分配网络( p d n ) 主要由电源地平面组成，其主要功能是为各个器件 2 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 提供参考电压。但是，电源地平面往往为信号提供返凹路径，p d n 上的噪卢对 高速信号的返回电流有很强的影响。s i 问题的核心是信号的信号路径与返回路 径设计问题，由于平面谐振、平面开槽等问题的影响，会导致回路电感增加，它 直接导致高速信号的传输质量下降。所以解决s i 问题必须首先解决p i 问题。 1 2 3p i 、s l 导致口i 问题 在高速电路设计中传输线的阻抗突变也会造成e m i 问题。当高速走线经过 带有开槽的参考平面或是经由过孔切换到其他参考平曲时，使得回路面积增大， 进而导致辐射增强。在高速信号的返回电流和s s n 噪声的激励下，由电源地平 面对组成的平面谐振腔发生谐振，从而导致严重的e m i 问题。因此通过仔细为 高速信号设计返回路径，抑制p d n 的电源噪声，以减小电磁辐射n 别。 另外，电源地平面也对系统有很好的电磁屏蔽作用，它能有效改善系统的 e m i 。甚至在多层p c b 设计实践中，将项层和底层设置为电源地平面是最为经 济的控制e m i 问题的方法n 2 1 。 1 3 高速电路设计流程 高速数字电路设计主要是围绕信号的传输展开的，信号完整地被接收端接 收，它就被认为是信号，如果信号没有被完整的接收，没有被接收的部分就成为 了噪声。如果噪声耦合到电源网络中，它就可能造成导致电源地平面发生谐振， 导致电源完整性问题，如果噪声耦合到自由空间中，那就导致电磁兼容性问题。 因此，首先解决信号完整性问题有利于后续的电源完整性分析和电磁兼容性分 析。同理，由上文可知电源完整性问题也可以导致电磁兼容性问题，所以，应该 在完成信号完整性分析和电源完整性分析后再进行电磁兼容性分析。 事实上，世界上主流p c b 工具，如：c a d e n c e 公司的a l l e g r o 、m e n t o rg r a p h i c s 的m e n t o re e 、b o a r ds t a t i o n 、p a d s 等的设计流程都是先解决信号完整性问题， 再考虑电源完整性问题，最后才分析电磁兼容性问题。甚至是系统级全波仿真工 具如：a n g i l e n t 的a d s 、a n s y s 的d e s i g n e r ( 由s i w a v e 、h f s s 、d e s i g n e r 组成 的工具链) 的设计流程也是如此，虽然这些工具可以模拟噪声源，但是也只是这 个流程的补充。 1 4 本论文的研究内容与结构安排 根据高速电路的电路特征和对本论文设计的a r m i l 核心板进行信号完整性 分析、电源完整分析，得到a r m l l 核心板设计规则。通过对a r m l l 核心板进 行反射、串扰、平面谐振、同步开关噪声等后仿真，给合所做的工作，论文的结 构安排如下： 第1 章绪论：简要介绍s i 、p i 和e m i 协同设计研究在高速p c b 设计中的 3 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 重要性及其设计流程； 第2 章s 3 c “1 0 核心板电路设计：介绍a r m i l 核心板设计方案； 第3 章a r m l l 核心板p c b 的信号完整性设计：研究高速p c b 中的信号完 整性理论基础，着重分析反射、串扰等噪声问题； 第4 章a r m i l 核心板叠结构设计：简要介绍高速电路层叠结构设计高速电 路p c b 设计的重要性，结合a r m 核心板设计简要介绍高速电路层叠结构设计 的具体方法； 第5 章a r m l l 核心板电源完整性设计：结合a r m l l 核心板设计，研究高 速电路电源完整性分析要点，并给出p c b 设计方案； 第6 章a r m l l 核心板的时序设计：结合a r m 核心板设计，简要介绍高 速电路的时序设计要点，并给出p c b 设计方案； 第7 章a r m l l 核心板e m c 设计要点简析：简要介绍高速电路e m c 设计 要点，并给出p c b 设计方案； 第8 章总结与展望：对本论文的工作与不足进行总结，并对未涉及和有待 进一步研究的问题进行了展望。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 第2 章$ 3 c 6 4 1 0 核心板电路设计 2 1基于$ 3 0 6 4 10 医疗控制系统整体设计 本论文设计的核心板为智能医疗激光器的控制核心，与外围板一起共同控制 激光器的工作系统。整个控制系统的设计框图如图2 1 所示。 图2 1 基于$ 3 c 6 4 1 0 的控制系统原理方框图 其中核心板按功能划分为五个模块： ( 1 )电源模块：电源模块主要包括3 个d c d c 、3 个l d o ； ( 2 ) a r m l l 模块：选用s a m s u n g 公司a r m l l 芯片$ 3 c 6 4 1 0 ； ( 3 )m o b i l ed d rs d r a m 模块：选用s a m s u n g 公司k 4 x 1 g 1 6 3 p c ； ( 4 )n a n df l a s h 模块：选用s a m s u n g 公司k 9 g a g 0 8n a n df l a s h 芯片； ( 5 )时钟模块：产生3 2 7 6 8 k h z 、1 2 m h z 、2 4 m h z 、2 7 m h z 。 2 2a r m l1 核心板主要模块设计 2 2 1 g o bi led d rs d r a m 模块 a r m ll 核心板配置2 5 6 mb y t e sm o b i l ed d r 存储器，使用两片s a m s u n g k 4 x l g l 6 3 p c 芯片，d d r 数据运行速度可达2 6 6 m h z 。 5 一一一一一一一一一一一一一一一一一一 一 一 ；，i l i l ；，i i ，2 i l 一 一 ，l l|ll i 硕士学位论文 m a s t e r st h e s l s 图2 2m o b i l ed d rs d r a m 设计原理图 核心板配置2 gb y t e sn a n df l a s h ，选用s a m s u n g 公司k 9 g a g 0 8 型号 n a n df l a s h 。片选信号使用$ 3 c 6 4 1 0 处理器的c s n 2 。n a n df l a s h 存储器 主要用于存放内核代码、应用程序、文件系统和数据资料。 1 、 ，1 5 2 ：( n c 0 n c 7 ： ：2 0 3 ：( n c l n c b ：、2 1 4 ： - i n c 2n c g ： ：2 2 5 ： c , n c 3n c l o ： ：2 3 1 1 ： ：n c 4 n c l l ； ：2 4 1 4 ： ：n c 5n c l 2 ： ，2 5 ：n c 6n c l 3 j，2 6 脚唧：0 l ) _n c l 4 ： ：2 7 d a t a 02 9 “c 1 5 j：2 8 0 a t a l 3 0 l ，0 0n c 6 ： ：3 3 d a t a 2：3 1 i ，0 1n c l 7 ： ：3 4 、d a i a 3 i i z b 0 2n c l b ： ，3 5 d a t a 4 1 i k ) 3n c l 9 ； ：3 8 0 a t a 0 4 zv 0 4 n c 2 d ： 3 9 i 0 5n c 2 1 ： 0 a t a 64 3：4 0 i k ) 6n c 2 2 ： 、4 5 哪 n c 2 3 ： ：4 6 n c 2 4 j：4 7 n c 2 5 ： ：4 8 v d o _ c e ln c 2 6 ： 、 o csn2碡酉“100hm。9csn3 c e 2 1 2 j v c c 善， 一 】 w ev c c 墓凄1 ，! f f 1 5 r e e l 7 9 b c l e 蚴f a le ) ) ” a l e = r 期 一7 铲丁下吁 啪薯 财洲咖， r ，b 1 r ，b 2v s s 孤】 r 2 2 o 7 - c 一 w pv $ 5 l 图2 3n a n df l a s h 设计原理图 6 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 2 2 3 电源模块 电源模块选用t o r e x 公司的低压差稳压电源( l d o ) x c 6 2 1 9 、同步降压 直流直流转换器x c 9 2 1 6 为a r m 和m i b i l ed d r 供电。 a r mc o r ep o w e r1 1 v ( 5 3 3 m i 1 v ，6 6 7 m 1 2 v ) 图2 4 $ 3 c 6 4 1 0 核心及逻辑模块供电电路图 、，d di o 图2 5m o b i l ed d r 供电模块电路图 v d da 1 i v ep o w e r1 2 v 图2 5 $ 3 c 6 4 1 0 核心供电模块电路图 7 1 2 u f c 1 2 0 1 u f 刁： c 1 1 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 图2 5 $ 3 c 6 4 1 0p l l 供电模块电路图 0 2 u f j 图2 6 $ 3 c 6 4 1 0u s b 模块供电电路图 2 2 4 时钟模块 a r m l l 核心板时钟模块使用无源晶振为系统提供时钟，电路原理如图2 7 所 8 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s m 图2 7 无源晶振电路图 2 2 4 复位电路 a r m l l 核心板系统复位使用m a x 8 1 1 t 专业复位芯片，保证系统的稳定可 靠。复位电路原理图如图2 8 所示- v d dl o r e s e t 图2 8 复位电路电路图 9 k e yr s t 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 第3 章a r m l1 核心板p c b 的信号完整性设计 3 1a r m l1 核心板各类信号的信号完整性 信号的的s i 特性是与信号的频率、拓扑结构、所处的层叠结构等相关的， 在同一系统中不同信号的s i 特性不一样，且不同信号对s i 的要求不也一样，应 该区别对待。a d l m l l 核心板中有高速信号，也有低速信号，对它们将采取不同 的设计和分析方法。 3 1 1 高速和低速信号的区分 高速数字电路中，信号皆是“方波，而由傅里叶变化可知，理想方波由无 数不同频率的正弦波组成，如图3 1 所示给出了由不同谐波分量的正弦波组成的 “方波”的上升沿。其中，x 1 表示只包含l 阶分量的的“方波 的上升沿，) 【3 表示只包含3 阶分量的的“方波的上升沿，x 7 表示只包含7 阶分量的的“方 波”的上升沿，x 1 9 表示只包含1 9 阶分量的的“方波”的上升沿。 图3 1 由不同谐波组成的“方波”的上升沿 由图3 1 此可知信号带宽越大，波形上升时间越小，即上升沿越陡。信号带 宽与上升时间的关系是信号完整性问题的基础和前提。当正弦波波长与传输线长 度越接近( 甚至小于传输线径长度) ，其传输线效应越明显。传统的高速电路与 低速电路的区分是完全按照电路频率来区分的，而图3 1 表明当信号上升沿( 或 下降沿) 陡时，即使是工作频率很低的低频信号也有可能包括高频成分，而这些 低频信号中高频成分有可能成为导致s i 、p i 、e m i 问题的源头。因此，这类型 的低频信号也需要按照高速信号进行设计。分析信号截止频率是我们区分信号的 有效手段。 1 0 硕士学位论文 m a s t e r st h e s l s 数字信号的截止频率( 信号带宽上行截止频率) 与它的上升( 下降) 时问有 关，而与时钟频率没有必然联系： 一 o 。s， ，k n = 了 ( 3 1 ) j r 公式( 3 1 ) 中，f k 腻= 数字信号的截止频率，t r = 脉冲上升时间 数字信号的大部份能量都集中在低于f k 懈的频段内，上升时间越短，f k n 越高，上升时间越长，f k 臌越低。一般情况下，数字信号的7 0 的能量都集中在 其5 次谐波以内，因此，大多情况下高速电路的设计只需考虑数字信号截止频率 以内的频率。一般情况，上升沿时间为信号周期的1 0 。 3 1 2 集总电路与分布电路 如果电路的长度足够小时( 信号截至频率对应正弦波波长的l 2 0 ) ，可以近 似的认为电路上所有的点都具有相同的电位，则这一电路被称为集总电路。反之 为分布电路。通常用电路尺寸和上升时间的比值来确定电路是集总电路还是分布 电路。 传输线上升时间的空间延伸长度l e n ，取决于信号的传播速度和上升时间： l e n = t r v ( 3 2 ) 公式( 3 2 ) 中：l e n 上升时间的空间延伸长度( i 1 1 ) ，t r 信号的上升时间( i l s ) ， v 信号的速度( i n m ) ，如果传输线长度比信号上升时间的空间延伸长度的1 6 小，则电路往往表现为集总电路。 3 1 3 传输线理论 高速电路和低速电路在电尺寸上有很大差别。低速电路互联线的物理尺度比 其信号截至频率对应正弦波波长小得多，而高速电路的互联线的物理尺度则可能 为其信号截至频率对应j 下弦波波长的几分之一或几个波长。因此，高速电路的互 联线往往是分布系统，在其整个长度内其电压和电流的幅值和相位可能不同。传 输信号通道上的分布参数必须考虑。高速电路的互联线要用传输线模型来分析。 如图3 2 为传输线模型由r 、l 、g 、c 四个元件组成的等效电路图随1 。 r 图3 2 单位长度传输线的等效电路 3 1 4 a l 诅1 1 1 核心板高速信号 本论文设计的a r m l l 核心板应该特别关注的高速信号包括m i b i l ed d r 的 1 1 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 数据信号、地址控制信号、时钟信号，它们的截止频率、信号上升沿时间和前沿 的空间延伸的1 6 长度如表3 1 所示。 表3 1a r m 1 核心板关键高速信号特性 信号 f ( g h z ) t r ( n s ) l e n 6 ( i n ) f l m c e ( g h z ) m o b i l e数据信号 0 2 6 60 3 7 5 0 3 7 51 8 8 d d r地址和控制信号 0 1 3 3o 7 5 o 7 50 9 4 s d r a m时钟信号 0 1 3 3o 7 5o 7 50 9 4 f l a s h 输入信号 550 1 3 2a r m l1 核心板的反射与匹配 3 2 1 反射基本概念 信号的反射是高速电路设计要考虑的重要因素之一，它可能还会导致电源完 整性问题和电磁兼容性问题。 在高速p c b 的设计过程中，互联线的传输线效应越来越明显，即每条走线 都有其特性阻抗。正如同光从空气进入水中，由于折射率不连续会有部分能量反 射、部分穿透，信号在传输线里的传输也会由于阻抗不连续发生类似现象。 在由信号路径和返回路径组成的回路中有且仅有唯一电压和电流回路。当信 号传输到达瞬态阻抗不同的两个区域时，交界面两侧的电压和电流都必须是相同 的。这是因为，如果不同说明边界处的电压或电流是阶跃变化，这需要一个无限 大电场或无限大的磁场强。 当传输线瞬态阻抗发生了变化时，信号部分能量将沿着传播方向的反方向返 回，另一部分能量则继续传输。反射信号的量值由传输线瞬态阻抗的变化量决定， 如图3 - 3 所示，设第一个区域瞬态阻抗是z 1 ，第二个区域是z 2 ，则反射信号与 入射信号幅值之比为： 堡= 丝= p ( 3 3 ) 职磊z i 。 公式3 3 中：v r 反射电压；v i 入射电压；z l 信号最初所在区域的瞬态阻抗； z 2 信号进入区域2 时的瞬态阻抗；p 反射系数。 v 入射v 反射v 三老 图3 3 传输线阻抗突变 当信号截止频率所对应正弦波波长远超过印刷电路板线路的长度时，即信号 频率很低则无需考虑反射与阻抗匹配的问题，但是高速电路则必须考虑。信号在 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 传输线中，若传线特性阻抗不连续就产生反射现象。因此阻抗匹配很重要，匹配 不当会发生反射，其所造成的振铃现象将严重影响信号的质量。 3 2 2a 刚1 1 核心板抑制反射设计方案 导致反射现象的原因有传输线阻抗不连续、传输线的端接、桩线、拐角、通 孔等。 3 2 2 1 传输线阻抗不连续 在本论文设计的a r m1 1 核心板上$ 3 c 6 4 1 0 芯片b g a 区域走线宽度必须小 于和等于3 1 5 m i l ( 制造工艺决定) ，但是这段走线长度不超过2 0 0 m i l ，在其它区 域则是使用常规线宽为4 m i l 的走线，因此由于线宽有一小段发生变化，特性阻 抗就会改变，造成阻抗不连续。使用s i 9 0 0 0 计算3 1 5 m i l 和4 m i l 走线阻抗如图 3 3 所示： 图3 43 1 5 m i l 和4 m i l 走线所处的层叠结构 底材1 高度h 1 广亍丽底材1 高度h 1 ，r 亍亍新葡 j1，1 底材1 电介质7 t 1 厂。蕊底材1 电介质皇r 1 广1 夏丽 底材罐旌 少广。彳6 面底材互喜度4 0 0 0 0 底材魂介质 e r 2 厂丽底材魂介质e f 2 广。i 丽 下层线路宽度w 1 广1 丽下层线路宽度w 1r 1 丽 上层线路宽度 w 2 r 百五石丽 e 屠线路宽度 w 2r 气而 线路厚度0 7 0 0 8 线路厚度卫- r ”石：彳耐 、 阻抗 z o r - ”写吾匿阻抗z o 、厂丽丽 图3 53 1 5 m i l 走线( 左) 和4 m i l 走线( 右) 特性阻抗计算结果 使用a d v a n c e dd e s i g ns y s t e m 为3 15 r a i l 和4 m i l 走线导致阻抗突变对于上升 沿时间为0 3 7 5 n s 时建模如下图3 6 所示。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s + 戮p 。r 。1 r xi 上7 sr=500hmt9 v l o w = o v ；v i 、i 。_ ”“： 一l d e l a y = on s e c 。 = 圣r i s e = 0 3 7 5n s e e + 1 。o o 8 o 6 - _ ： o o 4 o 2 o o i n t l i n 丁l i n 丰r 戮tll 0 2 ohm：器!劳r2啤ohm53 4 99 9 o h m e = 1 8 0 之：mz - r = 与n e ：2 0m 。 ? f = 2 6 6m h z f = 2 6 6m h z 1 t r a n 。t r a n l 。s t o p l 3 me = 5 0n s e c m a x l i me s t e p = 0 0 1n s e c 图3 63 1 5 m i l 和4 m i l 走线建模 f 。 f + f ： ： 一 一_ 一“ ： f f j o oo 51 o1 52 o2 53 o3 54 04 55 0 t i m e ，n s e c 图3 7 a d v a n c e dd e s i g ns y s t e m 仿真结果 显然，如图3 7 所示无法观察到反射现象，说明3 欧姆的阻抗变化并且不连 续长小于前沿的空间延伸长度的1 6 ，反射信号完全被上升沿吸收。因此，完全 不必担心核心板b g a 区域的走线宽度不连续问题。 3 2 2 2 拐角的影响 信号沿着均匀的互连线传输时，一般情况下阻抗连续信号不会发生反射。但 是如果均匀互连线存在弯曲就会导致阻抗突变。图3 8 给出了我们用s i w a v e 对 4 5 度拐角、9 0 度拐角和直线走线的t d r 响应仿真结果，其中信号的上升时间为 5 0 p s 线宽为6 5 r a i l ，阻抗为5 0 欧姆强。 使用s i w a v e 对三种走线进行模拟，如图3 8 所示： 1 4 硕士学位论文 m a s t e r ，st h e s i s 圈 图3 8 ( a ) 4 5 度拐角、9 0 度拐角和直线走线 w k 1 r r r 1 r r t 1 r r 1 r r 1 r ，1 “r 1 一叶 o o o 2 0 。o o 4 0 0 6 0 00 0 s - o o 0 01 0 e o 图3 8 ( b ) 仿真结果 由图3 8 ( a ) 和( b ) 可知直线走线传输线阻抗约为4 9 欧姆，但是很明显4 5 度走线和直线走线走线其阻抗特性几乎重合，但是9 0 度走线存在4 0 0 p s 左右有 7 欧姆的波动。 3 2 3 振铃现象 如图3 1 1 所示，为电路发生振铃现象时的波形图。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s t i m e 图3 9 振铃现象 如图3 1 0 所示，由于多次反射形成振铃现象的示意图。 口2 6 毒口p 鲥 = 矗只。 dt | 。p _ 覃= 0p f2 覃p 埘 一2 口 矗。口+ 5 + t c 。口+ 矗霉+ 一+ # 。囊刍 j r d + 毒4 c + 0 c t + h + e + d 电t + f 图3 1 0 由于多次反射形成振铃现象的示意图 g i 当远端和源端阻抗都不匹配时( 一般情况下源端阻抗小远端阻抗大) ，则反 射波会在远端和源端来回震荡，形成振铃现象。因此，要消除或是减小振铃现象， 就最少要将源端和远端中的一端匹配，使其不发生反射。 分布电路在没有匹配的情况下很有可能会发生振铃现象，因为信号会在远端 和源端来回反射。由于集总电路上升沿或下降沿可以吸收反射波，这大大抑制了 反射的形成，但这并不意味着集总电路不会发生振铃现象。这还与电路的q 有 关，电路q 值是电路电抗与电阻的比值，q 值越大意味着电抗性在电路中占的 比例越大，而我们知道，电抗元件是不消耗能量的，电阻消耗能量。因此高q 。 郴 郴 娜 邯 脚 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 值电路的信号衰减会很慢，即使在集总电路中，反射波仍然会来回振荡导致振铃 现象的发生。 3 2 4a 刚1 1 核心板关键数据仿真结果 时域反射仪( t d r ) 是测量高频信号在传输线的时域反射状况的仪器，用来检 测传输线特性阻抗特性。时域反射仪是由一个高速示波器和一个脉冲信号发生器 组成。其原理是由脉冲信号发生器产生一个脉冲信号e i 发射到待测物里，然后 通过测量其反射信号e r 的大小和延迟时间来计算待测物的特性阻抗、寄生电容 和寄生电感等。 如图3 1 1 所示使用s 1 w a v e 的t d r 功能得到a r m l l 核心板m o b i l ed d r 数 据线t d r 仿真结果。 图3 1 1m o b i l ed d r 数据线t i ) r 仿真结果 显然，该数据线阻抗控制不错，仅仅有4 欧姆的波动，完全满足阻抗片匹配 要求。 3 3a r m1 1 核心板抑制串扰设计方案 串扰是不同传输线之间的能量耦合。在高速电路中，串扰现象是非常普遍的。 串扰可能出现在芯片、p c b 板、连接器、芯片封装和连接器电缆等器件上。 3 3 1 串扰基本概念 串扰是指信号在传输线上传输过程中，由于传输线之间存在互容和互感效应 对相邻的传输线产生的噪声干扰。串扰分为前向串扰和后向串扰。前向串扰中的 容性耦合和感性耦合形成的干扰信号是反相的，在返回路径完整时是可以相互抵 消的。而后向串扰的两个分量是同相的。在返回路径完整的带状线或微带线中， 1 7 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 前向串扰是非常小的，我们主要是考虑后向串扰。值得注意的是，如果静念线源 端不匹配，后向串扰就会由于源端反射会远端。 图3 1 2 前向串扰和后向串扰 3 3 2 串扰形成机理 信号的上升时间长短并不一定会影响总的瞬时耦合噪声电压或电流。因为越 短的上升时间其单位互容或互感也越大，但是这么一来前沿的空间延伸也越短， 耦合长度长度越小。如果耦合区域长度长于前沿的空间延伸长度，瞬时耦合噪声 将达到饱和并维持为一个稳定值。饱和长度就是前沿空间延伸长度。如果耦合长 度大于饱和长度，静态线上的瞬时耦合噪声值就与上升时间无关晦1 。 a 容性耦合 如图3 1 3 所示是只考虑容性耦合的等效电路模型，假设信号耦合长度大于 饱和长度。当信号上升沿到来时，动态线通过容性耦合将电流噪声耦合到静态线 上。 二一鼬、盘* 1 o 工玎丑工工 胛膏2 3 4 567 -= 二： _ 一_ 图3 1 3 只有容性耦合的传输线等效电路模型1 当信号出现在动态线驱动端时，并向远端传输。就会有容性耦合电流噪声耦 合到静态线上。一部分噪声电流向后流回源端，另一部分则向前传输。当静态传 输线上瞬态阻抗处处相同时，则噪声电流在前向和后向的电流噪声相等1 5 j 。 随着信号的上升下降沿在传输线的传输，噪声电流持续回到源端。源端的 噪声电压值从0 v 开始逐逐渐增加。当信号的上升下降沿传输长度达到其饱和长 度时，源端的噪声电压开始到达一个稳定值。当信号的上升下降沿到达远端以 后就没有耦合噪声电流，但是静态线上的后向电流并没有都流回了近端，还需要 一个传输线时延t d 才能完全返回源端。当近端噪声持续2 t d 后，逐渐下降到 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s o 【5 】，如图3 1 4 所示。 图3 1 4 静态线近端的容性耦合噪声 而在远端，前向的容性耦合噪声电流不断产生并持续流向远端。当信号前沿 到达远端，所有噪声电流也都到达了远端，在经过了t d 时间的噪声电流的积累， 远端的噪声电压强度降大于近端噪声的噪声电压强1 。如图3 1 5 所示。 图3 1 5 通过端接电阻，静态线远端的容性耦合噪声 b 感性耦合 感性耦合电流与容性耦合电流的行为相似，不同的是电流产生方式不一样。 感性耦合是由于动态线的变化电流必定会有返回路径，除了使用传输线参考平面 本身作为返回路径外，也会在静态线上感应出一个电流回路。静态线上感应出电 流会沿着前后两个方向传输。当静态传输线上瞬态阻抗处处相同时，则噪声电流 在前向和后向的电流噪声相等。后向的感性耦合电流与容性耦合电流的幅值相 同。当动态线上的信号上升沿到达远端时，在静态线上后向感性耦合噪声电流与 容性耦合电流噪声的大小相反。如图3 1 6 所示。 刚一鼬 麓l i 坤i 跏门蓦n 瓣伍取n 邙m 百n 瓣门丽n 啊百孙 k ：+ 。+ 。1 ) + 。+ 。+ 。 删9 疆y 硼哪q g 髓y 张 翼畸四 123 5678 一。 一y i 。“ 图3 1 6 前向和后向的感性电流回路 3 3 3 蹦1 1 核心板抑制串扰设计方案 在完整的地平面上，感性和容性串扰是相等。前向串扰分量相抵消，反向串 扰分量相互加强。且通过开槽或不完整的地平面上，感性耦合大于容性耦合，使 前向串扰变大而且是负值。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 本论文设计的a r m ll 核心板关键线m i b i l ed d r 的信号线和地址控制线都 有完整的参考平面。走线间距最少保持两倍线宽，且耦合长度都小于前沿空间延 伸的1 6 。 3 3 4a i 划1 11 核心板数据信号串扰仿真 使用a n s o f ts i w a v e 和a n